CH677540A5 - - Google Patents
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Description
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CH 677 540 A5
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Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Gerät für die Messung von Beschleunigungen, insbesondere von Komponenten der Gravitationskraft für die Winkelmessung aufgrund der Auslenkung eines kreisrunden metallischen Auslenkteiles, das zur Bildung von zwei aneinandergrenzenden Kondensatoren mit Abstand zwischen zwei Kondensatorplatten und zwischen zwei Teilen eines gemeinsamen Gehäuses membranartig federelastisch gehalten ist.
Ein Gerät dieser Art ist bekannt durch die DE-C 2 523 446. Sein Messprinzip beruht auf der Messung der durch die Kapazitätsänderung der beiden Kondensatoren in den zugehörigen Stromkreisen verursachten Spannungsänderungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät dieser Art zu finden, das bei kleinen Abmessungen und robuster, kompakter Bauweise, insbesondere auch bei der Übertragung des Messsignals über grössere Abstände, eine noch höhere Messgenauigkeit bei grösserem Auflösungsvermögen der Messwertanzeige aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsge-mäss dadurch, dass die Kondensatoren jeweils im Schwingkreis eines RC-Oszillators angeordnet sind und die RC-Oszillatoren mit einem digitalen Rechner verbunden sind, der die aufgrund der Auslenkung auftretenden Frequenzänderungen in ein Messsignal umrechnet.
Für eine rechnerische Kompensation von auf die Oszillatoren einwirkender Störeinflüsse, wie z.B. aufgrund von Temperaturänderungen, ist zusätzlich mindestens ein Referenzoszillator vorgesehen, der für eine konstante Schwingungsfrequenz ausgelegt ist.
Die Oszillatoren sind vorzugsweise so auszuwählen, dass ihre Stromaufnahme weniger als 1 mA bei einer Speisespannung von mehr als 2 V beträgt. Dadurch wird erreicht, dass durch den Betriebsstrom keine wesentlichen Temperaturveränderungen hervorgerufen werden, die die Messgenauigkeit beeinflussen könnten. Ausserdem soll ihre Frequenz vorzugsweise weniger als 50 kHz betragen und die Schaltzeit des aktiven Elementes des Oszillators kürzer als 500 nS sein, so dass die Ladezeiten der Kondensatoren verhältnismässig lang sind.
Die elektronischen Mittel der RC-Oszillatoren sowie des Rechners sind mit Ausnahme der aktiven Kondensatoren vorzugsweise auf einer Seite des Gerätes an einer Printplatte vorgesehen, die parallel zu einer der Elektrodenplatten gerichtet ist.
Zur Vermeidung dielektrischer Störeinflüsse erfolgt die elektrische Verbindung der anderen Elektrodenplatte mit den elektronischen Mitteln bevorzugt durch einen Draht, der kontaktlos zentral durch das Auslenkteil und die Elektrodenplatte hindurchgeführt ist.
Weitere, die Messgenauigkeit erhöhende, Stör-einflüsse verringernde und/oder die Herstellung des Gerätes vereinfachende Ausführungsformen des erfindungsgemässen Gerätes sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sowie der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen zu entnehmen.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Funktionsschema des Gerätes einschliesslich seiner elektronischen Mittel und einer Messanzeige,
Fig. 2 einen Axialquerschnitt durch das Gerät, Fig. 3 eine Ansicht des Auslenkteiles des Gerätes nach Fig. 2,
Fig. 4 eine Ansicht eines isolierenden Distanzkörpers des Gerätes nach Fig, 2 und
Fig. 5 einen Querschnitt eines Gehäuseblockes für zwei Geräte.
Die schematische Darstellung der Fig. 1 zeigt das an Masse angeschlossene Auslenkteil 1. Es bildet durch seine Anordnung zwischen zwei Elektrodenplatten 2, 3 gemeinsamen Bestandteil von zwei parallel nebeneinander angeordneten Kondensatoren. Diese Kondensatoren befinden sich im Schwingkreis von RC-Oszillatoren 4, 5, so dass deren Frequenz fL, fR durch die Grösse ihrer Kapazität bestimmt ist. Diese Grösse ändert sich infolge von Beschleunigungskräften, die eine Positionsänderung des pendelartig wirkenden Auslenkteiles 1 relativ zu den Elektrodenplatten 2, 3 bewirken. Somit ist es möglich, durch eine rechnerische Auswertung 6 der Änderung der Frequenzen fu fR in einem Rechner 6 und durch geeignete Eichung den ermittelten Messwert in einem Anzeigegerät 7 digital angezeigt zu erhalten.
Entsprechend dem Anwendungszweck kann das Anzeigegerät (Display) 7 mit einem Teil des starren Gehäuse 8 des in Fig. 2 beispielhaft dargestellten Gerätes 9 fest verbunden sein. Das Gerät 9 kann jedoch auch über eine Verbindungsleitung 10 mit einem entfernt, z.B. in einem zentralen Kontrollraum angeordneten Anzeigegerät 7 verbunden sein, wofür die digitale Messwertübertragung besonders vorteilhaft ist.
Die hohe Genauigkeit, die durch die digitale Auswertung der Frequenzänderungen der RC-Oszillatoren möglich ist, führt jedoch nur zu entsprechend hoher Messgenauigkeit, wenn Fehleinflüsse weitge-hendst vermieden werden. Den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, konstruktive Massnahmen zu finden, die Fehleinflüsse, insbesondere aufgrund von Temperaturänderungen und Verlustkapazitäten, möglichst vollständig beseitigen.
Die unmittelbar auf die Oszillatoren 4, 5 wirkenden Veränderungen z.B. im Temperaturbereich von -60°C bis +70°C, lassen sich im Rechner 6 berücksichtigen, indem dieser zusätzlich eine von Beschleunigungskräften unabhängige Frequenz f« von mindestens einem weiteren RC-Oszillator mit sonst gleicher Spezifikation erhält. Auf diese Weise lassen sich durch allgemeine Einflüsse, z.B. Temperaturveränderungen bedingte Frequenzänderungen der RC-Oszillatoren 4, 5 von den Frequenzänderungen unterscheiden, die durch die für die Messung wesentliche Positionsänderung des Auslenkteiles 1 zwischen den Elektrodenplatten 2,3 hervorgerufen worden ist,
Zur Verringerung eines Temperatureinflusses
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auf das Schwingverhalten der RC-Oszillatoren 4, 5 steht das aus einer dünnen Metallplatte 12 mit einer Dicke von z.B. 0,08 mm hergestellte Auslenkteil 1 in direktem Kontakt mit dem ebenfalls metallischen Gehäuse 8, indem es mit diesem verlötet ist, und es hat denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten £m wie das Gehäuse, oder beide bestehen aus demselben Material, z.B. Messing.
Um weiterhin zu verhindern, dass sich die Breite der Spalte 14,15 zwischen dem Auslenkteil 1 und den Elektrodenplatten 2, 3 bei Temperaturänderung verändert, ist diese Spaltbreite im Verhältnis von £e-£M:£m kleiner als die durch die isolierenden Distanzkörper 16, 17 gebildete Distanz, bzw. deren Dicke, wobei £e dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Distanzkörper 16, 17 und £m demjenigen des Gehäuses 8 entspricht, bzw. wird ausgehend von einer vorgegebenen Breite der Spalte 14, 15 die Dicke der Distanzkörper 16, 17 nach diesem Verhältnis berechnet. Dabei hat das Gehäuse 8 zwei Teile 18,19 mit zueinder parallelen Innenflächen 20, 21, an denen die die Elektrodenplatten 2, 3 tragenden ebenen Distanzkörper angeklebt sind, und ein kreisringförmiger Aussenrand 22 des Auslenkteiles 1 ist zwischen den zueinander parallelen Stirnflächen von schalenrandförmig über die Gehäuseinnenflächen 20, 21 überstehenden und gegeneinandergerichteten Gehäusebereichen 23, 24 eingeschlossen.
Die feste metallische Verbindung mit den Gehäuseteilen 18,19 erhält das Auslenkteil 1 durch radiale Fortsätze 25 seines Aussenrandes 22, indem diese in eine Umfangsrille 26 zwischen den Gehäuseteilen 18,19 hineinragen und dort durch diese Rille 26 ausfüllendes, nichtdargestelltes Lotmetall mit beiden Gehäuseteilen 18,19 verlötet sind.
Um die genau zentrische Montage des kreisrunden Auslenkteiles 1 relativ zu den kreisrunden Innenflächen der Gehäusebereiche 23, 24 zu erleichtern, sind am Umfang einer der genannten Stirnflächen der Gehäusebereiche 18, 19 mindestens drei zumindest angenähert achsparallel gerichtete Bohrungen 27 vorgesehen, in die Führungsstifte gesteckt werden, so dass sie beim Auflegen des Auslenkteiles 1 auf diese Stirnfläche an dem kreisrunden Aussenrand 22 des Auslenkteiles 1 anliegen und ihn führen. Nach dem Fixieren des Auslenkteiles 1 an dem Gehäuseteil 18, z.B. durch stellenweises Anlöten, können diese nichtdargestellten Führungsstifte wieder entfernt werden.
Die aus Gründen der Messgenauigkeit ebenfalls erforderliche, genaue zentrische Anordnung der kreisrunden Elektrodenplatten 2, 3 relativ zu den genannten kreisrunden Innenflächen der Gehäusebereiche 23, 24 und relativ zu dem Auslenkteil kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Beispielsweise werden die Elektrodenplatten durch diese kreisrunden Innenflächen selbst zentriert, indem sie vorerst einen an diese heranreichenden Durchmesser aufweisen und nach der Verklebung mit dem Distanzkörper 16, 17 mittels eines Schneidwerkzeuges auf den erforderlichen Durchmesser bearbeitet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben die Elektrodenpiatten einen zentrisch angeformten, beispielsweise hohlzylindrischen Fortsatz 29, 30, der in eine zentrale Öffnung 30 des angrenzenden Distanzkörpers passt, und letzterer hat entsprechend der Darstellung in Fig. 5 einen abstehenden Nabenteil 31, der in einer zentralen Bohrung 32 einer eine der Innenflächen 20, 21 aufweisenden Gehäusewand zentriert ist.
Für eine verbesserte Isolierung gegenüber Fremd- oder Verlustkapazitäten schliessen die Distanzkörper 16, 17 vorzugsweise grössere Hohlräume 33 ein, so dass sie die Elektrodenplatten 2, 3 nur tragrippenartig an den Gehäuseinnenflächen 20, 21 abstützen. Eine geeignete speichenradartige Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gerätes, bei der die elektronischen Mittel 35 an nur einem Gehäuseteil 18 angebracht sind und die elektrische Verbindung der Elektrodenplatten 2, 3 mit diesen durch einen zentralen Draht 34 erfolgt, dient die zentrale Öffnung 30 in dem nabenartigen Zentralteil 35 des Distanzkörpers 16 oder 17 der Hindurchführung diese Drahtes 34 sowie des zentrisch angeformten Fortsatzes 29, 30 der Elektrodenplatten 2, 3. Die Hindurchführung des Fortsatzes 29 und des Drahtes 34 durch eine Öffnung 28 in dem den elektronischen Mitteln 35 abgekehrten Gehäuseteil 19 nach aussen, dient der leichten Ausführung einer Lötverbindung 36 zwischen diesen beiden, während die gleichachsige Öffnung 41 in dem gegenüberliegenden, die elektronischen Mittel 35 tragenden Gehäuseteil 18 und die Öffnung 41' in der elektrischen Leiterplatte 55 die zentrale elektrische Verbindung der Elektrodenplatte 3 mit diesen elektronischen Mitteln 35 ermöglicht.
Die zentrale elektrische Verbindung durch zentrale Öffnungen 37, 38, 39 in den Elektrodenplatten 2,3 und dem Auslenkteil 1 trägt ebenfalls wesentlich zur Vermeidung der Einwirkung von Fremdkapazitäten bei, indem ein aussen an den Kondensatoren 4, 5 bzw. den Elektrodenpiatten 2, 3 und dem Auslenkteil 1 vorbeigeführter elektrischer Verbindungsdraht eine Fremdkapazität bilden würde. Ausserdem wird durch diese zentrale elektrische Verbindung eine Ausführungsform des Gerätes wesentlich erleichtert, bei der eine in Massenkontakt mit dem metallischen Gehäuse 8 stehende metallische Haube 40 die elektronischen Mittel 35 gegen elektrische Störfelder abschirmt.
Die einseitige Anordnung der elektronischen Mittel 35 an einem der Gehäuseteile 18 hat auch den Vorteil, dass die gegenüberliegende Seite des Gehäuses 8 frei von solchen Mitteln bleibt und somit einen massiv angeformten Referenzblock 42, bzw. 43 aufweisen kann, an dem sich eine (Fig. 2) oder mehrere (Fig. 5) Referenzflächen 44; 45, 46 für die Winkelmessung befinden. An dem Referenzblock 42 oder 43 können auch Befestigungsmittel, z.B. Schraubenlöcher 47-50 vorgesehen sein, um das Gerät stationär an einem hinsichtlich seiner Winkelposition oder Verformung zu überwachenden Körper, wie z.B. einem Bauelement von Hochhäusern, Fabrikationsanlagen, Schiffen u.s.w., zu befestigen.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Referenzblockes 43, der für die Winkelmessung in zwei
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zueinander senkrechten Ebenen zwei entsprechend zueinander angeordnete Elektrodenplatten 3', 3" von zwei nicht vollständig dargestellten erfin-dungsgemässen Geräten aufweist Wie mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zuvor beschrieben, wird das Auslenkteil 1 zwischen zwei Stirnflächen von Gehäusebereichen 23, 24 zweier Gehäuseteile 18,19 gehalten. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bilden die Aussenflächen 52, 53 jeweils eine dieser Stirnflächen.
Die Messgenauigkeit wird weiterhin durch eine besonders leicht federnd auslenkbare Ausgestaltung des Auslenkteiles 1 erhöht, indem dessen kreisförmiger, den aktiven inneren Bereich 13 bildender Teil durch mindestens drei in Form einer archimedischen Spirale von mehr als 360° ihn umgebende Bänder 56-58 mit seinem zwischen den Gehäuseteilen 18, 19 befestigten Aussenrand 22 verbunden Ist. Die Herstellung dieser Spiralbänder erfolgt in einem Stück mit dem Auslenkteil 1, indem beispielsweise in der für die Herstellung von elektrischen Leiterbahnen üblichen Fotoätztechnik mehrere entsprechend verlaufende spiralförmige Trennlinien eingearbeitet werden.
Claims (13)
1. Gerät für die Messung von Beschleunigungen, insbesondere von Komponenten der Gravitationskraft für die Winkelmessung aufgrund der Auslenkung eines kreisrunden metallischen Auslenkteiles (1, 13), das zur Bildung von zwei aneinandergren-zenden Kondensatoren mit Abstand zwischen zwei Elektrodenpiatten (2, 3) und zwischen zwei Teilen (18,19) eines gemeinsamen Gehäuses (8) membranartig federelastisch gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren jeweils im Schwingkreis eines RC-Oszillators (4, 5) angeordnet sind und die RC-Oszillatoren (4, 5) mit einem digitalen Rechner (6) verbunden sind, der die aufgrund der Auslenkung auftretenden Frequenzänderungen in ein Messsignal umrechnet.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur rechnerischen Temperaturkompensation mindestens ein weiterer RC-Oszillator (11) vorgesehen ist, der als Referenzoszillator eine konstante Schwingungsfrequenz aufweist.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Mittel (35) der RC-Oszillatoren (4, 5) sowie des Rechners (6), mit Ausnahme der messaktiven Kondensatoren, auf einer Seite des Gerätes an einer Leiterplatte (55) vorgesehen sind, die parallel zu einer der Elektrodenpiatten (2) der messaktiven Kondensatoren gerichtet ist.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Verbindungsdraht (34) kontaktlos durch ein zentrales Loch (39) in dem kreisförmigen Auslenkteil (1, 13) und beide Elektrodenpiatten (2, 3) geführt ist, der die den elektronischen Mitteln (35) ferner angeordnete Elektroden-platte (3) mit diesen elektronischen Mitteln (35) verbindet.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenplatten (2, 3) angrenzend an ihr zentrales Loch (37, 38) und senkrecht zu ihnen mindestens einen elektrisch leitenden Fortsatz (29, 30) aufweisen, wobei sich dieser Fortsatz (29, 30) zusammen mit dem elektrischen Verbindungsdraht (34) durch eine Öffnung (28, 41) in dem angrenzenden Gehäuseteit (18, 19) bis zu deren Aussenseite erstreckt und beide dort miteinander verlötet sind.
6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame, die Elektrodenpiatten (2, 3) und das Auslenkteil (1, 13) umschliessende Gehäuse (8) metallisch ist, die Elektrodenpiatten (2, 3) durch einen isolierenden Distanzkörper (16, 17) gegenüber dem metallischen Gehäuse (8) isoliert sind und bei nichtausgelenktem Auslenkteil (1, 13) jeweils der Abstand (14,15) zwischen den Elektrodenplatten und dem Auslenkteil (1, 13) auch nach Temperaturänderungen konstant ist, indem seine Grösse zu der Grösse der durch die isolierenden Distanzkörper (16, 17) gebildeten Distanz das Verhältnis £e-£m:£m bildet, wobei £e dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des isolierenden Materials des Distanzkörpers (16, 17) entspricht und £m demjenigen des metallischen Gehäuses (8).
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierenden Distanzkörper (16, 17) Aussparungen (33) oder Hohlräume aufweisen.
8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierenden Distanzkörper (16,17) die Form eines Speichenrades mit mindestens drei Speichen aufweisen (Fig. 4),
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitende Fortsatz (29, 30) mindestens einer der Elektrodenpiatten (2, 3) rohr-förmig an ihr angeformt ist, den elektrischen Verbindungsdraht (34) umschliesst und von der Nabe (35) des speichenradförmigen Distanzkörpers (16, 17) umschlossen ist, so dass er diesen zentriert.
10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslenkteil (13) spiralförmig von mindestens drei Bändern (55-57) im Winkelbereich von mehr als 360° umschlossen ist, die es mit einem kreisringförmigen Aussenrand (22) verbinden, der zwischen den beiden Gehäuseteilen (18, 19) befestigt ist, wobei das Auslenkteil (13), die Bänder (55-57) und der Aussenrand (22) aus einer gemeinsamen Metallfolië (12) geformt sind, so dass sie sich in derselben Ebene erstrecken.
11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der kreisförmige, den Auslenkteil (13) umschliessende Aussenrand (22) zwischen kreisförmigen, ebenen Rändern (23, 24) der beiden Gehäuseteile (18, 19) an diesen anliegend gehalten ist und radial von dem Aussenrad (22) abstehende Fortsätze (25) in eine zwischen den Gehäuseteilen (18,19) gebildete Umfangsrille (26) hineinragen, wobei die Gehäuseteile (18,19) aus demselben metallischen Material oder einem Material mit dem gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen wie das Auslenkteil (1,13) und die Fortsätze (25) innerhalb dieser Umfangsrille (26) mit den Gehäuseteilen (18,19) verlötet sind.
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12. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem die elektronischen Mittel (35) tragenden Teil (18) eines metallischen, die elektrische Erdung bildenden Gerätegehäuses (8) eine diese Mittel umschliessende metallische Haube (40) mit elektrischem Kontakt befestigt ist, wobei der andere Teil (19) des metallischen Gehäuses (8) einen Gehäuseblock (42, 43) bildet, an dem Befestigungsmittel (47-50) und/oder eine Referenzfläche (44-46) für Winkelmessungen vorgesehen sind.
13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät mit einem zweiten gleichartigen Gerät kombiniert ist, wobei eine (3) der zwei Elektrodenpiatten (2, 3) des einen Gerätes mit einer (3') der zwei Elektrodenplatten des anderen Gerätes im Winkel von 90° an einem gemeinsamen Gehäuseblock (43) starr befestigt ist.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased | ||
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